基于FPGA+DSP的高速中频采样信号处理平台的实现

摘要：高速中频采样信号处理平台在实际应用中有很大的前景，提出采用FPGA+DSP的处理结构，结合高性能A／D和D／A处理芯片，设计了一个通用处理平台，并对其主要性能进行了测试。实验与实际应用表明，该系统具有很强的数据处理能力和很好的稳定性。
关键词：高速中频；信号处理；FPGA；DSP

0 引言
现代社会正向数字化、信息化方向高速发展，在这一过程中，往往需要高速信号的实时性数字化处理。例如，随着科技的进步，现代雷达等应用信号的数字化处理上有了长足的发展，但也带来了新的问题，这些应用的数字信号处理具有海量运行需求的应用背景，如巡航导弹末制导雷达地形匹配、合成孔径雷达的成像处理、相控阵雷达的时空二维滤波处理等领域。目前，单片DSP难以胜任许多信号处理系统的要求。而常见的解决方案也是高速A／D采样与信号处理功能是在多块不同的板卡上实现，这给实际应用带来很多不便。
鉴于上述现有技术所存在的问题，本设计平台的目的是：
(1)实现高速中频信号(如雷达信号)的数字化处理并进行实时传输数据或进行数据的实时计算，并能通过输出电路进行结果显示；
(2)自定义控制总线可以实现对高速中频信号处理板进行灵活控制，具有较强的可配置性和丰富的灵活性；
(3)高速A／D采样与D／A回放及数据处理单元集成在一块板上，在集成度高的同时也降低了高速信号在传输过程中出现差错的概率。

1 平台设计方案
高速中频采样信号处理平台由主控制电路、高速A／D与D／A电路、信号处理单元电路、光纤通道电路、时钟管理电路、存储单元和外部接口电路组成，其总体框图如图1所示。

在实际应用过程中，四路A／D通道可以接收不同的信号源的信号，D／A通路可以对外进行数据显示等多种功能，时钟管理电路管理内外时钟的使用及对板上系统供给工作时钟，两路光纤通道可以与其他高速设备相连接，自定义总线可以与CPU或主控制器相连接对平台进行有效灵活的控制。
1．1 高速A／D与D／A设计
四路高速A／D采样通道采用两片NS公司的ADC081000实现，每片有两个A／D通道，相比多片A／D器件的通道间相位恒定设计是一个难点而言，单片A／D器件可以更容易实现两路通道间的相位恒定。ADC081000是一款高性能的A／D采集芯片，单通道8 b采样频率为1 GHz。本平台中A／D通道间采样数据的相位恒定是利用采样时钟相位间的恒定来实现的。在设计时，使时钟芯片到两片A／D器件间的时钟线等长，两片A ／D器件到FPGA间的时钟线与数据线也分别等长，并且还利用一片FPGA设计了对两片A／D器件的软启动控制，这就更保证了四路通道间采样时钟的相位恒定。
两路高速D／A通道采用两片AD公司的AD9736实现，AD9736单通道14 b，采样频率可达1 200 MSPS。两路高速D／A通路也利用一片FPGA作控制，实现通道间相位差的恒定。
1．2 信号处理单元设计
信号处理单元包括FPGA和DSP两大部分。
FPGA部分主要由四片Virtex-4 SX55组成，四片FPGA间实现有串行连接和相隔间的连接。FPGA电路主要是实现对高速A／D采集数据的预处理和高速D／A回放数据处理，并且控制高速A／D电路采样时钟的相位恒定与高速D／A电路采样时钟的相位恒定，同时也根据需要与相应的DSP进行数据交换或传递。FPGA电路上连接的光接口电路也可以实现与其他系统进行高速、实时的数据交换。
A／D采样之后的数字信号速率非常高，要从这些高速信号中得到有用的基带信号，需要有效地对其进行数字下变频、抽取、滤波等处理，这些功能都可以通过FPGA来实现。FPGA具有较高的处理速度和较高的稳定性，同时又具有设计灵活、易于修改和维护的优点，可以适应不同系统的要求，提高了系统的适用性及可扩展性。
DSP电路是本平台信号处理的核心，完成大部分的数据处理工作，由四片ADSP TS201组成，四片DSP间实现了两两间的Link口互连，构成了分布式并行系统，可以把复杂的算法分割成小的任务给各处理器完成，从而减少任务的执行时间。
根据设计需要，平台数据的传输量很大，多DSP之间的数据传输速度尤为重要，采用Link口来传输数据，可以在不增加辅助电路的前提下，DSP间的直接互联。而且，基于Link口的数据传输采用专门的数据通道，不占有系统总线资源，消除了传输过程中的总线仲裁，减少了网络延迟带来的不确定因素。四片DSP间Link口的传递数据能力高达600 MB／s。
DSP主要是通过软件设计来实现数字基带信号处理以及比特流控制、编码解码等高速的数据交换和处理功能。对DSP开发的软件工具是ADI公司的VisualDSF++4．0，它是TigerSHARC系列DSP的集成开发环境，支持汇编语言、C语言、C++等开发语言，能让程序员使用这些工具编写出相对于特定DSP的高性能应用程序，发挥强大的处理能力。在本平台中，每片DSP的地位都是对等的，能够根据不同的要求，硬件结构不用改变，只须在DSP的软件算法中稍加改动，系统就能实现新的功能。
1．3 主控制电路设计
主控制电路与信号处理单元电路和外部接口电路相连，其核心是一片规模较小的FPGA。它主要是控制信号处理单元的同步复位及工作控制，可以将从外部主机接收到信号传递给信号处理单元，也可将信号处理单元的有关信息传递到外部主机中。
1．4 其他主要电路设计
时钟管理电路主要是负责板上FPGA、DSP、光口、高速A／D与D／A等正常工作所需要时钟生成与配置。外部存储电路是FPGA与DSP正常工作时所需要的外部RAM空间大小的设计。外部接口电路是本平台与其他设备进行连接的控制接口。光纤通道电路由两路光纤通道组成，每路可以工作在2．5 Gb／s，可以与其他系统进行数据交换。

2 性能测试
决定平台性能的指标有多个，选取最主要的三个进行测试，结果如下。
2．1 A／D采样的有效位数
有效位数是用来表述A／D器件的一项总体指标，对精确评价系统性能非常重要。对于A／D采样有效位的测试，采用A／D器件的最大量程输入，在FPGA中取得数据，用Matlab来对数据处理进行计算得到的。四路A／D采样通道有效位的测试数据如表1所示。

2．2 A／D通道间相位恒定
A／D通道间的相位恒定指标直接测试比较困难，在平台设计中已经保证了同一芯片两路A／D通道间的相位差是恒定的，只要测试两片A ／D芯片输出时钟相位差是否恒定即可判定。表1中也显示了两片A／D器件输出时钟的相位差测试结果。
2．3 DSP运算速度
DSP的运算速度和精度决定着系统的数据处理能力，同时也会对整个系统的性能和结构产生重要的影响。DSP的处理能力可以用1 024点的复数FFT计算时间进行比较。Link口传递速度的测试，可以将Link口的工作时钟设定在600 MHz，按4 b进行数据传递，如果接收到数据没有错误，即可认定Link口的工作速率可以达到600 MB／s。经过测试，在工作频率为600 MHz，按4 b进行数据传递的情况下，各个Link均通过测试，也就是说每个Link口工作速率都可以达到600 MB／s。经过测试，平台上两个光口的传输速度均达到了2．5 Gb／s。DSP运算速度测试结果见表2。

3 结语
通过上述测试结果可以看出，本平台设计合理，FPGA与DSP的结合使用，能充分发挥各自的优势，实现对高速、多路、海量信号的实时处理。另外，高度集成化设计，大大减少了平台所占用的空间体积，也使功耗大大减小。平台在兵器某所项目验证中，接入实际雷达信号进行测试，各项指标均达到了设计要求。